規(guī)模化分布式能源參與大電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制的機(jī)制初探

曹永吉，張恒旭，施嘯寒，徐清文，李常剛，李 威

（1.電網(wǎng)智能化調(diào)度與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（山東大學(xué)），山東省濟(jì)南市 250061；2.南瑞集團(tuán)有限公司（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司），江蘇省南京市 211106；3.智能電網(wǎng)保護(hù)和運(yùn)行控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省南京市 211106）

0 引言

為應(yīng)對(duì)氣候變暖等全球性挑戰(zhàn)，《巴黎協(xié)定》明確了21世紀(jì)末前將全球平均溫升控制在2℃內(nèi)的減排目標(biāo)［1-2］。2020年，中國(guó)進(jìn)一步提出了“二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的雙碳目標(biāo)［3-5］。大力發(fā)展風(fēng)電、光伏等可再生能源及電動(dòng)汽車，推進(jìn)能源轉(zhuǎn)型、電能替代，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)已經(jīng)勢(shì)在必行［6］。

根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的數(shù)據(jù)，截至2020年底，中國(guó)并網(wǎng)風(fēng)電和光伏裝機(jī)容量已分別達(dá)到281.5 GW和253.4 GW，電動(dòng)汽車產(chǎn)量達(dá)到145.6萬(wàn)輛［7］。大容量特高壓直流是集中式可再生能源的重要傳輸路徑，世界范圍內(nèi)已經(jīng)形成若干交直流混聯(lián)電網(wǎng)［8］。隨著集中式可再生能源的開(kāi)發(fā)空間趨于飽和，發(fā)展分布式能源（distributed energy resource，DER）是雙碳目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下的必然選擇［9-10］。規(guī)?；L(fēng)電、光伏、電動(dòng)汽車及特高壓直流將給新型電力系統(tǒng)帶來(lái)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，如何保障其安全穩(wěn)定運(yùn)行、支撐可再生能源消納，是亟須解決的問(wèn)題。

目前，中國(guó)大電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制主要以火電機(jī)組等傳統(tǒng)電源控制和切負(fù)荷控制為主導(dǎo)，由三道防線組成［11-17］。其中，文獻(xiàn)［11-13］提出考慮時(shí)空協(xié)調(diào)的大電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制框架，剖析大停電的演化規(guī)律，闡述三道防線內(nèi)部及防線間的協(xié)同機(jī)制。文獻(xiàn)［14-15］探討了極端外部災(zāi)害下的大電網(wǎng)安全防御機(jī)制，歸納了極端外部環(huán)境引發(fā)停電災(zāi)難的特點(diǎn)及三道防線面臨的挑戰(zhàn)，提出將防御框架向兩端擴(kuò)展。文 獻(xiàn)［16］基 于 廣 域 測(cè) 量 系 統(tǒng)（wide-area measurement system，WAMS）實(shí)現(xiàn)大電網(wǎng)同步信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提出時(shí)空大數(shù)據(jù)環(huán)境下的大電網(wǎng)自適應(yīng)防御體系。文獻(xiàn)［17］計(jì)及通信安全，提出通信信息三道防線的概念，構(gòu)建電力-信息融合的大電網(wǎng)停電防御框架。

海量異構(gòu)型DER并網(wǎng)將導(dǎo)致新型電力系統(tǒng)電源側(cè)的穩(wěn)定控制資源發(fā)生較大變化。區(qū)別于傳統(tǒng)集中式火電機(jī)組，DER的可觀性和可控性較低，一般等效為負(fù)的負(fù)荷，其組織形態(tài)及參與穩(wěn)定控制的機(jī)制亟待研究。切負(fù)荷是三道防線中的重要措施，能夠有效防止電網(wǎng)崩潰［18-19］，但存在成本高、社會(huì)負(fù)面影響大的問(wèn)題。精準(zhǔn)切負(fù)荷降低了控制的電壓等級(jí)，由變電站出線延伸到可中斷的大用戶負(fù)荷，在一定程度上降低了成本和負(fù)面影響［20］。但在新型電力系統(tǒng)中，傳統(tǒng)集中式火電機(jī)組等可控資源減少，以增加切負(fù)荷/精細(xì)化切負(fù)荷控制量的方式來(lái)保障其安全穩(wěn)定較為受限。如何權(quán)衡DER穩(wěn)態(tài)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性與暫態(tài)響應(yīng)能力間的矛盾，有效聚合并參與大電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制，也是亟待研究的問(wèn)題。

文獻(xiàn)［21-24］研究了DER接入場(chǎng)景下的電力系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制，但其以安全穩(wěn)定為研究邊界，是面向經(jīng)濟(jì)性、市場(chǎng)化的運(yùn)營(yíng)模式。安全穩(wěn)定是電力系統(tǒng)的本質(zhì)問(wèn)題，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)應(yīng)首先立足于其安全穩(wěn)定運(yùn)行，再以此為前提開(kāi)展經(jīng)濟(jì)性、市場(chǎng)化的研究。虛擬電廠（virtual power plant，VPP）通過(guò)聚合DER來(lái)參與電力市場(chǎng)，利用市場(chǎng)的調(diào)節(jié)作用增強(qiáng)DER與大電網(wǎng)間的互動(dòng)［25-29］。雖然VPP依賴于電力市場(chǎng)的作用，且仍然側(cè)重于經(jīng)濟(jì)性，但其對(duì)所聚合的DER的空間位置、組成結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特性沒(méi)有特定的要求，提供了一種靈活性強(qiáng)、適應(yīng)度高的資源組織和管理形式。

針對(duì)雙碳目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形態(tài)的變化，探索了新的控制形態(tài)，提出了基于VPP的交互機(jī)制，嘗試為海量異構(gòu)型DER的組織形態(tài)及與大電網(wǎng)的交互形式提供一種方案，以將其納入可控資源的范疇來(lái)補(bǔ)充、增強(qiáng)三道防線。論述由當(dāng)前電力系統(tǒng)向新型電力系統(tǒng)衍變過(guò)程中，其結(jié)構(gòu)形態(tài)的變化，分析安全穩(wěn)定控制所面臨的挑戰(zhàn)。闡述VPP的定義、組成和特性，提出其調(diào)控架構(gòu)和運(yùn)行機(jī)制，并總結(jié)該領(lǐng)域中亟待研究的內(nèi)容，給出后續(xù)研究建議。

1 雙碳目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下電力系統(tǒng)的衍變

1.1 新型電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形態(tài)的變化

在雙碳目標(biāo)的驅(qū)動(dòng)下，集中/分布式可再生能源-直流-多元化負(fù)荷將成為新型電力系統(tǒng)的重要組成，給電能生產(chǎn)-傳輸-利用環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)形態(tài)帶來(lái)了變化，如表1所示。

表1 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)形態(tài)的衍變Table 1 Evolution of power grid structural form

相較于當(dāng)前的電力系統(tǒng)，新型電力系統(tǒng)的特點(diǎn)如圖1所示。在電能生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，新型電力系統(tǒng)以集中/分布式的風(fēng)電、光伏取代傳統(tǒng)集中式的火電機(jī)組作為主導(dǎo)電源。為實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)，可再生能源的發(fā)電容量和比例將達(dá)到一個(gè)非常高的水平，全網(wǎng)整體上將以可再生能源為主導(dǎo)。在某些特定的局部地區(qū)，可能存在各類可再生能源均不適合發(fā)展的場(chǎng)景，這些局部地區(qū)將仍以傳統(tǒng)電源為主導(dǎo)。因此，新型電力系統(tǒng)將呈現(xiàn)出全網(wǎng)以新能源主導(dǎo)、局部以傳統(tǒng)電源主導(dǎo)的電能生產(chǎn)特點(diǎn)。

圖1 新型電力系統(tǒng)的特點(diǎn)Fig.1 Characteristics of new power system

以火電機(jī)組為代表的傳統(tǒng)電源運(yùn)行可控性高、抗擾性強(qiáng)、等效慣量大，且集中式接入有利于參與電力系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)控。相比之下，風(fēng)電、光伏等可再生能源大多采用電力電子裝置，具有不確定性高、抗擾性弱、等效慣量小等特點(diǎn)，且采用分布式接入時(shí)，低可觀性和低可控性問(wèn)題突出。

在電能傳輸環(huán)節(jié)中，新型電力系統(tǒng)交直流混聯(lián)程度加深。大容量特高壓直流運(yùn)行增加了潛在大擾動(dòng)事故和連鎖事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，且其采用電力電子裝置導(dǎo)致弱抗擾、低慣量等問(wèn)題進(jìn)一步加劇。特高壓直流實(shí)現(xiàn)了區(qū)域電網(wǎng)的異步互聯(lián)，使得送受端交流系統(tǒng)的等效慣量和安全穩(wěn)定控制能力不能共享，相同擾動(dòng)量下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)更加劇烈。

在電能利用環(huán)節(jié)中，電能替代是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)的重要途徑。電力多元化轉(zhuǎn)換（P2X）技術(shù)得到快速發(fā)展并應(yīng)用于交通、工業(yè)等領(lǐng)域，推動(dòng)電能利用環(huán)節(jié)由傳統(tǒng)的照明和電動(dòng)機(jī)負(fù)荷擴(kuò)展到電動(dòng)汽車充電、電化學(xué)等多元化負(fù)荷。新型電力系統(tǒng)負(fù)荷側(cè)將呈現(xiàn)出以電動(dòng)汽車充電負(fù)荷快速發(fā)展為代表的電能利用多元化、電力電子化的特點(diǎn)。多元化負(fù)荷接入導(dǎo)致新型電力系統(tǒng)需求側(cè)長(zhǎng)時(shí)間尺度的電能消耗特性和短時(shí)間尺度的暫態(tài)響應(yīng)特性更加復(fù)雜。電動(dòng)汽車充電負(fù)荷的時(shí)空不確定性較強(qiáng)，接入電網(wǎng)時(shí)表現(xiàn)出沖擊特性，且各類電力電子負(fù)荷的速動(dòng)性與弱抗擾性間矛盾較為突出。

1.2 新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行面臨的挑戰(zhàn)

1）源-荷兩側(cè)雙重強(qiáng)不確定性

風(fēng)電、光伏等可再生能源導(dǎo)致電力系統(tǒng)電源側(cè)出力波動(dòng)的不確定性增加，而電動(dòng)汽車等多元化負(fù)荷進(jìn)一步加劇了需求側(cè)的不確定性。新型電力系統(tǒng)將面臨源-荷兩側(cè)雙重強(qiáng)不確定性的挑戰(zhàn)。一方面，源-荷的強(qiáng)不確定性限制了其作為調(diào)度和安全穩(wěn)定控制資源的有效性。另一方面，在長(zhǎng)時(shí)間尺度下的爬坡、調(diào)峰與短時(shí)間尺度下的調(diào)頻過(guò)程中，有功功率的平衡難度增加；在擾動(dòng)事故后，源-荷不確定性的功率變化與擾動(dòng)功率疊加，在一定程度上會(huì)加劇事故的嚴(yán)重程度，甚至激發(fā)出連鎖事故。

2）分布式資源低可觀性與低可控性

集中式電源由大電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)控，其可觀性和可控性較高，而DER一般等效為負(fù)的負(fù)荷，其可觀性和可控性較低。在正常運(yùn)行下，大電網(wǎng)缺乏對(duì)DER統(tǒng)一的優(yōu)化調(diào)度，影響了整體的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。在擾動(dòng)事故后，以微電網(wǎng)等形態(tài)接入的DER不能有效地提供功率支撐和參與大電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制；相反，其往往以保護(hù)自身為目的，切換為離網(wǎng)模式運(yùn)行，在功率反送場(chǎng)景下會(huì)加劇事故的嚴(yán)重程度。

3）電力電子化電源低慣量和弱抗擾

集中/分布式可再生能源-特高壓直流-多元化負(fù)荷大多通過(guò)電力電子裝置并網(wǎng)，這會(huì)導(dǎo)致新型電力系統(tǒng)的主導(dǎo)特性由以同步機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程及電磁暫態(tài)方程為代表的響應(yīng)特性轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏﹄娮友b置的控制特性。電力電子化電源與電網(wǎng)側(cè)頻率解耦，在未附加相關(guān)控制時(shí)，不提供慣量及參與調(diào)頻控制。大規(guī)模電力電子化電源接入電網(wǎng)并替換原有的火電機(jī)組，將導(dǎo)致系統(tǒng)等效慣量降低，事故后的頻率動(dòng)態(tài)響應(yīng)更加劇烈，安全穩(wěn)定控制動(dòng)作時(shí)間縮短、可控資源量減少，發(fā)生大頻率偏移甚至失穩(wěn)的概率增加。另一方面，電力電子化電源抗擾動(dòng)能力較弱，頻率、電壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程中若導(dǎo)致其大范圍脫網(wǎng)，二者相互激勵(lì)，存在引發(fā)電網(wǎng)崩潰的風(fēng)險(xiǎn)。

2 VPP的內(nèi)涵

2.1 VPP的定義及組成

在新型電力系統(tǒng)中，以火電機(jī)組為代表的可控資源量減少，需要在DER的并網(wǎng)形態(tài)和運(yùn)行機(jī)制中考慮其響應(yīng)大電網(wǎng)調(diào)控的能力。如何協(xié)調(diào)大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和海量DER的經(jīng)濟(jì)、高效接入，是大電網(wǎng)和DER交互機(jī)制面臨的問(wèn)題。將強(qiáng)不確定、低慣量、弱抗擾、低可觀和低可控的DER組織成電網(wǎng)友好型、主動(dòng)參與調(diào)控尤其是三道防線的資源，關(guān)系到新型電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行和可再生能源消納。

VPP以電力市場(chǎng)的調(diào)節(jié)作用為主要驅(qū)動(dòng)力，通過(guò)先進(jìn)的通信、量測(cè)和控制等技術(shù)，將地理位置相對(duì)分散的DER聚合成虛擬單元，整體性地響應(yīng)電力系統(tǒng)調(diào)控，參與電力市場(chǎng)交易［25-26］。在新型電力系統(tǒng)中，尤其是2060年達(dá)到碳中和目標(biāo)后，可再生能源的發(fā)電容量和比例將達(dá)到一個(gè)非常高的水平，分布式風(fēng)電、光伏、儲(chǔ)能及需求響應(yīng)普遍存在，將會(huì)形成以其中部分資源為主導(dǎo)的VPP形式。在當(dāng)前以火電機(jī)組為主導(dǎo)的電力系統(tǒng)中，仍然可以利用VPP聚合可觀性和可控性較低的DER，參與大電網(wǎng)調(diào)控，起到增強(qiáng)安全穩(wěn)定控制能力、促進(jìn)可再生能源消納等作用。

VPP的組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，DER涵蓋分布式可再生能源、傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組、電動(dòng)汽車等可控負(fù)荷和儲(chǔ)能裝置等資源。根據(jù)內(nèi)部主導(dǎo)負(fù)荷的不同，可將VPP分為住宅型、工業(yè)型和商業(yè)型，以在運(yùn)行策略制定的過(guò)程中考慮不同的用戶行為。VPP對(duì)內(nèi)部的DER進(jìn)行了有效聚合和優(yōu)化管理，并以一個(gè)虛擬單元的形態(tài)與大電網(wǎng)進(jìn)行交互，將其等效的并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)定義為虛擬公共耦合點(diǎn)（virtual point of common coupling，VPCC）。從大電網(wǎng)的角度來(lái)看，VPP的并網(wǎng)特性為其VPCC表現(xiàn)的等效對(duì)外特性，而非內(nèi)部各DER的運(yùn)行特性。

圖2 VPP的組成結(jié)構(gòu)Fig.2 Composition and structure of VPP

2.2 VPP的功能特征

VPP包括穩(wěn)態(tài)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和暫態(tài)支撐大電網(wǎng)兩方面屬性，綜合經(jīng)濟(jì)性、消納可再生能源和支撐大電網(wǎng)安全穩(wěn)定等目標(biāo)。相較于大型火電機(jī)組、集中式可再生能源、微電網(wǎng)和精準(zhǔn)切負(fù)荷等，VPP具有以下特性。

1）大型火電機(jī)組的靈活性受其輔機(jī)、原動(dòng)機(jī)和同步機(jī)的熱力學(xué)動(dòng)態(tài)和動(dòng)力學(xué)動(dòng)態(tài)過(guò)程的影響，其啟/停和響應(yīng)大電網(wǎng)調(diào)控的能力有限。VPP內(nèi)部包含儲(chǔ)能裝置和電動(dòng)汽車等電力電子化負(fù)荷，其動(dòng)態(tài)過(guò)程以控制器的控制特性為主導(dǎo)，具有較好的響應(yīng)性能，靈活性在一定程度上比火電機(jī)組更好。

2）集中式可再生能源出力波動(dòng)的不確定性問(wèn)題突出，即使配置儲(chǔ)能等來(lái)構(gòu)建集中式風(fēng)-光-儲(chǔ)混合發(fā)電系統(tǒng)，其就地平抑能力仍然有限。VPP在包含分布式風(fēng)-光-儲(chǔ)的基礎(chǔ)上，還包含傳統(tǒng)分布式機(jī)組、儲(chǔ)能裝置和電動(dòng)汽車等可控負(fù)荷，其就地平抑甚至反向靈活調(diào)節(jié)的能力突出。

3）微電網(wǎng)、主動(dòng)配電網(wǎng)等的管控對(duì)象以區(qū)域內(nèi)的DER為主，各資源在區(qū)域內(nèi)集群分布。VPP的內(nèi)部資源在空間上相對(duì)分散，對(duì)DER的地理位置和并網(wǎng)點(diǎn)沒(méi)有特定要求，組織形式更加靈活。在擾動(dòng)事故后，微電網(wǎng)等往往優(yōu)先保護(hù)自身，切換為離網(wǎng)模式運(yùn)行而非主動(dòng)參與大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定控制。VPP在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的基礎(chǔ)上，增加了暫態(tài)支撐大電網(wǎng)的功能，可通過(guò)涉網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)及市場(chǎng)調(diào)節(jié)來(lái)推動(dòng)VPP參與三道防線的相關(guān)控制。

4）精準(zhǔn)切負(fù)荷主要面向安全穩(wěn)定控制的第二道防線，降低了傳統(tǒng)切負(fù)荷的電壓等級(jí)，由變電站出線延伸到可中斷的大用戶負(fù)荷，并以區(qū)域內(nèi)的大用戶負(fù)荷為主要控制資源。VPP包括穩(wěn)態(tài)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和暫態(tài)支撐大電網(wǎng)兩方面屬性，涉及安全穩(wěn)定控制的三道防線，虛擬的組織形式較為靈活，且控制資源包括跨空間的分布式風(fēng)電、光伏、儲(chǔ)能、需求響應(yīng)、傳統(tǒng)機(jī)組，以及不同精細(xì)化水平和不同重要程度的負(fù)荷。

5）VPP提供暫態(tài)支撐大電網(wǎng)的功能，與穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的經(jīng)濟(jì)性相矛盾，將會(huì)增加運(yùn)行成本。VPP參與安全穩(wěn)定控制會(huì)增加內(nèi)部機(jī)械元件的磨損程度和儲(chǔ)能裝置的充放電頻次，導(dǎo)致設(shè)備使用壽命減少、維護(hù)成本增加等問(wèn)題。

3 VPP的運(yùn)行機(jī)制

3.1 VPP的調(diào)控架構(gòu)

在VPP內(nèi)部，海量DER運(yùn)行需要一定的優(yōu)化管理，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)下的經(jīng)濟(jì)性、可再生能源消納以及暫態(tài)下支撐大電網(wǎng)安全穩(wěn)定等目標(biāo)。VPP調(diào)控包含其內(nèi)部資源的協(xié)調(diào)及其與大電網(wǎng)間的協(xié)調(diào)兩個(gè)層面的內(nèi)容，同時(shí)涉及穩(wěn)態(tài)運(yùn)行與暫態(tài)控制。因此，基于多代理技術(shù)，構(gòu)建VPP雙層調(diào)控架構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)其在不同運(yùn)行狀態(tài)下內(nèi)部資源的優(yōu)化管理及與大電網(wǎng)間的友好交互，如圖3所示。

圖3 VPP調(diào)控架構(gòu)Fig.3 Dispatch and control architecture of VPP

VPP的調(diào)控架構(gòu)可分為兩層，其中，內(nèi)層為VPP管理層，主要負(fù)責(zé)管理內(nèi)部資源及與大電網(wǎng)的交互；外層為大電網(wǎng)調(diào)控層，主要對(duì)VPP和集中式電廠等可控資源進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)控。VPP管理層內(nèi)部采用多代理技術(shù)，與大電網(wǎng)調(diào)控層通過(guò)信息網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行采集數(shù)據(jù)及控制指令的交互，并通過(guò)VPCC進(jìn)行物理層面上的交互?？紤]到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行與暫態(tài)控制目標(biāo)的差異，VPP內(nèi)部控制中心由優(yōu)化調(diào)度代理和緊急控制代理組成。

在數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)方面，適用于配電網(wǎng)層面的相量測(cè)量單元（phasor measurement unit，PMU）及相關(guān)技術(shù)已經(jīng)較為成熟［30-31］。利用配電網(wǎng)PMU及其WAMS可以提供高刷新頻率、高可靠性、同步、寬頻帶的量測(cè)數(shù)據(jù)，能夠滿足VPP的調(diào)控需求。在三道防線中，緊急控制對(duì)速動(dòng)性要求較高，一般穩(wěn)控系統(tǒng)全程控制時(shí)間應(yīng)不大于300 ms。利用光纖、4G和5G等技術(shù)構(gòu)建的電力專網(wǎng)能夠提供高速、高質(zhì)量的信息傳輸，且VPP內(nèi)部的儲(chǔ)能裝置、電動(dòng)汽車充電負(fù)荷等電力電子化可控資源響應(yīng)速度較快，通過(guò)在線預(yù)決策、實(shí)時(shí)匹配的方式能夠滿足緊急控制對(duì)動(dòng)作時(shí)間的要求。

在新型電力系統(tǒng)中，大規(guī)模DER在空間上差異化分布，直接由電網(wǎng)調(diào)控中心到DER終端的集中控制可行性較低。VPP聚合了海量跨空間分布的DER，以虛擬單元的形式響應(yīng)大電網(wǎng)調(diào)控，由電網(wǎng)調(diào)控中心到VPP的集中控制具有一定的可行性。除集中控制外，VPP內(nèi)部的下層代理及DER終端還能夠基于就地信息執(zhí)行分散式控制。

3.2 VPP的內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制

根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的不同，VPP的內(nèi)部運(yùn)行由優(yōu)化調(diào)度代理或緊急控制代理進(jìn)行決策，如圖4所示，其決策變量為內(nèi)部相關(guān)資源的控制指令。

圖4 VPP運(yùn)行機(jī)制Fig.4 Operation mechanism of VPP

在正常運(yùn)行狀態(tài)下，由優(yōu)化調(diào)度代理接收大電網(wǎng)對(duì)VPP的調(diào)控指令，進(jìn)而控制下層代理，以調(diào)整DER的運(yùn)行狀態(tài)來(lái)滿足VPCC的電氣量要求和響應(yīng)運(yùn)行方式調(diào)整。在擾動(dòng)事故后的緊急狀態(tài)下，緊急控制代理接收大電網(wǎng)的控制指令，進(jìn)而接管優(yōu)化調(diào)度代理對(duì)下層代理的控制權(quán)，充分調(diào)動(dòng)VPP的內(nèi)部可控資源來(lái)響應(yīng)大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定控制。

優(yōu)化調(diào)度代理在進(jìn)行決策時(shí)，應(yīng)綜合考慮跟蹤大電網(wǎng)的控制指令、提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和增加可再生能源消納等目標(biāo)，以及滿足功率備用容量約束、VPCC和內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的電氣量約束與內(nèi)部資源的運(yùn)行約束。在緊急控制代理的下層代理中增加了切負(fù)荷控制代理，以實(shí)現(xiàn)極端事故場(chǎng)景下VPP內(nèi)部的切負(fù)荷功能。緊急控制代理在進(jìn)行決策時(shí)，應(yīng)優(yōu)先跟蹤大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定控制指令，進(jìn)而考慮經(jīng)濟(jì)性等目標(biāo)，并滿足相關(guān)約束。

3.3 VPP與大電網(wǎng)的交互機(jī)制

VPP以虛擬單元的形式與大電網(wǎng)在不同運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行交互，如圖4所示。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，VPP追蹤大電網(wǎng)的調(diào)度指令，并參與調(diào)頻、調(diào)峰和運(yùn)行方式調(diào)整等；在擾動(dòng)事故后，切換為緊急控制模式，為保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定提供支撐。

為確保VPP響應(yīng)大電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制的能力，其在正常運(yùn)行時(shí)需要保持一定的功率備用。與常規(guī)電廠類似，VPP的功率備用主要可分為以下兩部分［32］：

1）從并網(wǎng)導(dǎo)則的角度，可以將VPP在運(yùn)行過(guò)程中保持一定百分比裝機(jī)容量的熱備用及承擔(dān)安全穩(wěn)定控制的責(zé)任作為準(zhǔn)許其并網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)；

2）從電力市場(chǎng)的角度，在上述基本備用的基礎(chǔ)上，通過(guò)市場(chǎng)定價(jià)機(jī)制和補(bǔ)償機(jī)制促使VPP提供額外的備用容量，以滿足大電網(wǎng)的備用需求。

在安全穩(wěn)定控制三道防線中，第一道防線可進(jìn)一步細(xì)分為規(guī)劃建設(shè)、預(yù)防控制和繼電保護(hù)；第二道防線和第三道防線分別以緊急控制和校正控制為主［11］。從規(guī)劃階段到調(diào)控階段，VPP與三道防線間的交互關(guān)系如圖5所示。

圖5 VPP與三道防線間的關(guān)系Fig.5 Relationship between VPP and three defense lines

VPP在一定程度上具有比傳統(tǒng)火電機(jī)組更好的靈活性，其規(guī)模化配置能夠增強(qiáng)大電網(wǎng)的調(diào)控能力，改善擾動(dòng)事故后的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。在規(guī)劃階段，通過(guò)考慮大電網(wǎng)的薄弱環(huán)節(jié)，并將調(diào)控能力作為約束條件或多目標(biāo)優(yōu)化的目標(biāo)之一，能夠利用VPP來(lái)提供充足的可控資源。在預(yù)防控制中，VPP可以響應(yīng)電力系統(tǒng)運(yùn)行方式調(diào)整。大電網(wǎng)調(diào)控中心對(duì)VPP和常規(guī)電廠等可控資源進(jìn)行協(xié)同決策，然后由優(yōu)化調(diào)度代理接收指令并通過(guò)下層代理來(lái)調(diào)節(jié)內(nèi)部資源的運(yùn)行狀態(tài)。

針對(duì)第二道防線，VPP內(nèi)部以分布式可再生能源、儲(chǔ)能、需求響應(yīng)和不同精細(xì)化水平的切負(fù)荷等為響應(yīng)速度較快的可控資源。在緊急控制觸發(fā)后，VPP由緊急控制代理接收指令，并通過(guò)內(nèi)部電力電子化源-荷、儲(chǔ)能的快速響應(yīng)及切負(fù)荷控制來(lái)滿足所需承擔(dān)的控制需求。VPP聚合空間分散的電力電子化源-荷和儲(chǔ)能作為可控資源參與緊急控制，能夠替換原本所需的切負(fù)荷/切機(jī)量，降低成本和社會(huì)影響，達(dá)到以控代切的目的。

在極端事故場(chǎng)景下，VPP內(nèi)部的下層代理及DER終端能夠基于就地動(dòng)態(tài)響應(yīng)軌跡的偏移來(lái)觸發(fā)分散式的切機(jī)/切負(fù)荷控制，以參與第三道防線，降低發(fā)生電力系統(tǒng)崩潰的可能性。

4 研究展望

本文提出基于VPP實(shí)現(xiàn)海量可觀性和可控性較低的DER與大電網(wǎng)間的友好交互，嘗試為新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制機(jī)制及DER的組織形態(tài)提供一種方案。但關(guān)于VPP的研究還相對(duì)初步，在該領(lǐng)域內(nèi)仍有相關(guān)內(nèi)容亟待研究，總結(jié)如下。

1）含海量異構(gòu)型DER的VPP模型構(gòu)建方法。VPP模型構(gòu)建是規(guī)劃和調(diào)控的基礎(chǔ)。由于聚合了海量異構(gòu)型DER，VPP在時(shí)間尺度上的狀態(tài)變化和空間尺度上的資源分布導(dǎo)致了其模型的復(fù)雜性。復(fù)雜的聚合模型能夠保證VPP內(nèi)部單元特征模擬的準(zhǔn)確性，但會(huì)限制其應(yīng)用于分析和決策的有效性。模型的復(fù)雜性將對(duì)參數(shù)辨識(shí)、仿真計(jì)算提出較高的要求。如何權(quán)衡海量組成單元精細(xì)化特征模擬與模型參數(shù)辨識(shí)、計(jì)算效率間的矛盾，構(gòu)建VPP模型，并提出其參數(shù)辨識(shí)和高效仿真方法是亟須解決的問(wèn)題。

2）VPP內(nèi)部資源多時(shí)間尺度優(yōu)化調(diào)控方法。VPP內(nèi)部資源的調(diào)控問(wèn)題涉及多個(gè)時(shí)間尺度，其優(yōu)化目標(biāo)、約束條件及調(diào)控對(duì)象等受電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的影響。在正常運(yùn)行時(shí)，VPP內(nèi)部資源調(diào)控應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性、可再生能源消納等目標(biāo)；在擾動(dòng)事故發(fā)生后，VPP主動(dòng)切換控制模式為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定提供支撐。如何權(quán)衡VPP穩(wěn)態(tài)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性與暫態(tài)響應(yīng)能力之間的矛盾，提出VPP內(nèi)部資源多時(shí)間尺度優(yōu)化調(diào)控方法，是迫切需要研究的問(wèn)題之一。

3）VPP集群參與下的大電網(wǎng)緊急控制決策方法。可再生能源強(qiáng)波動(dòng)、弱抗擾等特征使得大電網(wǎng)運(yùn)行方式和暫態(tài)過(guò)程的不確定性明顯，緊急控制的決策空間顯著擴(kuò)大且具有時(shí)變性。VPP參與場(chǎng)景下，VPP之間以及VPP與集中式電源、切負(fù)荷等的協(xié)調(diào)配合加劇了問(wèn)題的復(fù)雜程度，導(dǎo)致其優(yōu)化模型高維、非線性、多目標(biāo)等特征突出。如何權(quán)衡VPP集群和大電網(wǎng)構(gòu)成的高維控制決策空間與緊急控制速動(dòng)性間的矛盾，提出協(xié)同的控制決策及高效求解方法，是該領(lǐng)域內(nèi)的重要挑戰(zhàn)。

5 結(jié)語(yǔ)

在雙碳目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下，可再生能源的快速發(fā)展已成為必然。以可再生能源為主體的能源供給導(dǎo)致電力系統(tǒng)形態(tài)發(fā)生變化，需要新的技術(shù)體系支撐。針對(duì)海量可觀性和可控性較低的DER接入下大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行問(wèn)題，探討DER的組織形態(tài)和與大電網(wǎng)的友好交互形式，提出基于VPP的控制機(jī)制，給出功能性描述框架，并討論了需要研究的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，嘗試啟發(fā)和支撐新型電力系統(tǒng)構(gòu)建相關(guān)理論體系的發(fā)展。在新型電力系統(tǒng)中，信號(hào)形態(tài)、繼電保護(hù)故障形態(tài)等將發(fā)生較大變化，寬頻振蕩等問(wèn)題與其他新興技術(shù)體系同樣值得深入探討。